從拉氏方程出發(fā)，推導(dǎo)了大回旋電子槍(CUSP) 的理論，得到了用于Ka 波段螺紋波導(dǎo)回旋行波管大回旋電子槍的基本參數(shù)。通過CST-Particle Stuido 3D 粒子模擬軟件，分析了不同參數(shù)對(duì)大回旋電子槍橫縱速度比、速度離散的影響，理論計(jì)算與粒子模擬結(jié)果相互吻合。研究發(fā)現(xiàn)，影響大回旋電子注質(zhì)量的主要因素是陰極所處的位置，所以文中重點(diǎn)分析了陰極裝配誤差對(duì)電子注質(zhì)量帶來的影響。通過將理論與仿真設(shè)計(jì)相結(jié)合，最終得到一種工作電壓70 kV，電流5 A，速度比1.0 的大回旋電子槍，滿足Ka 波段螺紋波導(dǎo)回旋行波管對(duì)高質(zhì)量電子槍的要求。

　　回旋管作為在毫米波、亞毫米波段獲得高峰值功率寬頻帶的快波器件，在等離子體加熱、電子對(duì)抗、高功率毫米波亞毫米波雷達(dá)、通訊等領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景，受到國際上普遍的關(guān)注。根據(jù)電子注回旋中心所在的位置，可以將回旋器件分為兩類：由磁控注入式電子槍( MIG) 產(chǎn)生的小回旋電子注器件以及由CUSP 電子槍產(chǎn)生的大軌道回旋器件。

　　為了增大腔體的尺寸并減小所需的磁場(chǎng)，很多回旋器件在高頻段都工作在高次諧波狀態(tài)。小軌道回旋行波管由于激烈的模式競(jìng)爭(zhēng)問題很難穩(wěn)定有效地工作在高次諧波狀態(tài)。由于螺紋波導(dǎo)的特殊結(jié)構(gòu)，電子注與波導(dǎo)要發(fā)生耦合必須滿足條件mi-mk ± mB = 0，mi和mk分別代表TE11模和TE21模的角向變化次數(shù)，mB為螺紋波導(dǎo)橫截面在角向的變化次數(shù)。這對(duì)抑制回旋器件內(nèi)的模式競(jìng)爭(zhēng)十分有利，并使得螺紋波導(dǎo)回旋行波管能夠穩(wěn)定地工作在較高的諧波狀態(tài)，減小回旋器件工作所需的磁場(chǎng)，使得回旋行波管可以利用永磁體代替超導(dǎo)磁體，整個(gè)系統(tǒng)變得小型化、輕便化。螺紋波導(dǎo)是一種在傳輸方向上非對(duì)稱的不規(guī)則周期波導(dǎo)，改變了原本光滑波導(dǎo)中工作模式在截止頻率附近的色散特性，使得電子注和高頻場(chǎng)在相當(dāng)寬的頻帶范圍內(nèi)相互耦合從而大大展寬器件帶寬。俄羅斯Denisov 等研制的螺紋波導(dǎo)X 波段回旋行波管，獲得了1. 1 MW 峰值功率， 47 dB 增益，相對(duì)工作帶寬達(dá)到了20%。美國加利福利亞大學(xué)戴維斯分校S. B. Harriet 等研制的大回旋二次諧波回旋行波管在中心頻率30 GHz，獲得了效率20%，增益30dB，輸入為定值時(shí)帶寬3%。國內(nèi)大回旋電子器件的研究起步較晚，主要集中在中科院電子所，中電十二所以及電子科技大學(xué)，但是至今尚未有相關(guān)的實(shí)驗(yàn)報(bào)道。

　　大回旋電子槍是靠皮爾斯電子槍產(chǎn)生的環(huán)形電子束在電場(chǎng)力作用下，通過磁場(chǎng)反轉(zhuǎn)以及電場(chǎng)的減弱和縱向磁場(chǎng)的增加，電子束軸向速度減小而橫向速度增加，從而產(chǎn)生繞軸旋轉(zhuǎn)的電子束。雖然大回旋電子槍的理論與實(shí)驗(yàn)發(fā)展了幾十年，但是直到1983 年才第一次被利用于微波器件中。相對(duì)于小軌道回旋器件來說，很少有成功的高次諧波潘尼管和回旋管的實(shí)驗(yàn)報(bào)道，主要原因是很難得到高質(zhì)量的大回旋電子注。科學(xué)家花了大量的時(shí)間和精力去研究產(chǎn)生高質(zhì)量大回旋電子注的縱向磁場(chǎng)磁體結(jié)構(gòu)，在2000 年時(shí)，Northrop Grumman 等提出了一種稱之為“state-of-the-art”的CUSP 磁體結(jié)構(gòu)，其基本結(jié)構(gòu)如圖1 所示。它由兩個(gè)鐵電極板、一個(gè)主線圈以及一個(gè)反轉(zhuǎn)線圈組成。其中主線圈提供注波互作用的磁場(chǎng); 電極板吸收由主線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)，如果電極板為理想電極板，可以認(rèn)為主線圈產(chǎn)生的磁場(chǎng)在電極板兩側(cè)被完全吸收; 在電子槍端用線包做成一個(gè)反轉(zhuǎn)線圈來提供陰極區(qū)的倒向磁場(chǎng)。

圖1 “state-of-the-art”磁體結(jié)構(gòu)

總結(jié)

　　本文從CUSP 電子槍的基本理論出發(fā)，初步給出了電子槍的基本結(jié)構(gòu)參數(shù)，通過CST - PS 3D 粒子模擬進(jìn)行了大量的優(yōu)化仿真分析，研究了電子槍的橫縱速度比以及速度離散與電子槍各個(gè)參量的變化關(guān)系。通過研究發(fā)現(xiàn)，可以協(xié)調(diào)地調(diào)整各個(gè)參量以保證電子注的橫縱速度比相同，這為以后的實(shí)驗(yàn)提供了理論研究基礎(chǔ)。并且根據(jù)理論和仿真計(jì)算，通過調(diào)整陰極磁場(chǎng)以及磁體系統(tǒng)的縱向位置和陽極電壓，可以改變電子槍的橫縱速度比，從而使回旋器件能工作在最佳狀態(tài)。同時(shí)，本文還分析了陰極裝配誤差對(duì)電子注質(zhì)量的影響，通過研究可以發(fā)現(xiàn)，陰極的縱向偏移對(duì)電子的橫縱速度比影響較大，而陰極的偏心對(duì)電子注的速度離散影響較大，所以對(duì)整個(gè)電子槍陰極的裝配精度要求比較大。